CN108963748A - 多功能相干拉曼散射生物成像光源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能相干拉曼散射生物成像光源，激光振荡器输出的种子光经过一、二级放大模块提高平均功率，以满足参量转换的阈值条件；放大光经光耦合器进入参量转换模块，产生斯托克斯光；再经过功率分束器分束，一部分作成像光源输出，另一部分进入波长分束器，实现斯托克斯光和泵光的分离，分离光分别进入两个重频调谐模块，两重频调谐模块可相互独立的控制斯托克斯光和泵光的重复频率；再分别连接第一时间延时模块和第二时间延时模块，调节色散匹配，使两束反馈光经过光耦合器耦合到参量转换模块，反馈回光耦合器的泵光和斯托克斯光在时间上同步、空间上重合，实现双参量振荡反馈。实现了该高效率的多功能相干拉曼散射成像生物光源。

Description

多功能相干拉曼散射生物成像光源

技术领域

本发明涉及一种成像光源装置，特别涉及一种多功能相干拉曼散射生物成像光源。

背景技术

相干拉曼散射（CherentRaman Scattering, CRS）成像技术由于具有无标记、非侵入性、无损伤和化学特异性的特征，被广泛应用于生物和医学领域，利用两束光信号与样品的化学键发生共振，产生表征化学键类型的光束。CRS成像技术包含两种成像方式，相干反斯托克斯拉曼散射（Cherent Anti-stokes Raman Scattering, CARS）和受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering,SRS）。CARS和SRS的非线性效应使CRS成像技术具备了好的探测灵敏度和三维成像能力，不仅可用于难以标记的分子成像，而且避免了标记过程对生物样品带来的光毒性。

其中CARS成像技术由于其非共振背景噪声的存在使产生的CARS扫描信号的峰值在频域上发生迁移，与拉曼信号无法完全对应，这会影响物质成分分析的准确性。而SRS技术无非共振背景噪声，其光谱信息与自发拉曼光谱完全一致，并且SRS信号和分子浓度呈正比关系，可以对分子浓度进行定量分析。但SRS成像时，需要在强背景光下测量相对较弱的信号光，这经常受到其他非线性光学过程的干扰，如:探测光的光强会因瞬态吸收或者双光子双色吸收的存在而改变；探测光的传播方向由于交叉相位调制和光热效应的影响发生变化，这给探测信息带来很大的干扰，使SRS成像难度增加，降低了探测灵敏度。但在CARS成像技术中不存在该问题。

传统的CARS成像技术和SRS成像技术由于对光源的需求不同，被设计成单腔参量振荡结构，而单谐振腔内的泵光由于无法参与反馈发生四波混频而被损耗掉，使系统内的泵光利用率不高。并且单一的CARS或SRS成像光源技术虽然各有优势，但也均有其不足，得到到的信息不够准确、探测灵敏度不够高。因此，为得到准确丰富的样品图像，经常需要多种成像手段综合使用，但目前的光源无法满足这一要求。

发明内容

本发明是针对成像光源技术存在的问题，提出了一种多功能相干拉曼散射生物成像光源，即可作相干反斯托克斯拉曼散射成像光源，又可作受激拉曼散射成像光源，即实现了该高效率的多功能相干拉曼散射成像生物光源。

本发明的技术方案为：一种多功能相干拉曼散射生物成像光源，包括振荡器、一级放大模块、二级放大模块、光耦合器、参量转换模块、功率分束器、波长分束器、第一重频调谐模块、第一时间延时模块、第二重频调谐模块和第二时间延时模块；

激光振荡器输出的种子光先经过一级放大模块提高平均功率；一级放大模块输出光再进入二级放大模块，实现种子光功率的再次放大，以满足参量转换的阈值条件；二级放大输出泵光经光耦合器进入由光子晶体光纤构成的参量转换模块，发生四波混频，产生斯托克斯光；参量转换模块末端放置功率分束器，将一部分功率的光束作成像光源输出，剩余部分功率光进入波长分束器，实现斯托克斯光和泵光的分离，之后斯托克斯光和泵光分别进入第一重频调谐模块和第二重频调谐模块，两重频调谐模块可相互独立的控制斯托克斯光和泵光的重复频率；第一重频调谐模块和第二重频调谐模块分别连接第一时间延时模块和第二时间延时模块，调节色散匹配，使第一时间延时模块和第二时间延时模块输出的反馈光经过光耦合器耦合到参量转换模块，反馈回光耦合器的泵光和斯托克斯光在时间上同步、空间上重合，实现双参量振荡反馈。

所述激光振荡器采用主动或者被动锁模方式实现脉冲种子光的输出。

所述一级放大模块和二级放大模块，采用掺稀土离子增益光纤对种子光的平均功率进行放大。

所述所述光耦合器，采用波分复用器或二向色镜，将斯托克斯光和泵光耦合到参量转换模块，完成双参量反馈。

所述所述参量转换模块由光子晶体光纤构成，泵光进入光子晶体光纤中发生非线性效应，产生斯托克斯光；光子晶体光纤也为参量振荡提供增益介质，提高斯托克斯光的功率，同时压缩了斯托克斯光的谱宽。

所述所述功率分束器采用波分复用器或偏振分束器。

所述所述波长分束器采用光纤波分复用器或滤波片，将反馈光中的斯托克斯光和泵光分开，分别输出到第一重频调谐模块和第二重频调谐模块。

所述所述两重频调谐模块采用声光调制器或电光调制器，实现参与参量振荡的斯托克斯光重频和泵光重频的独立调谐，使光源输出同重频或不同重频的斯托克斯光和泵光。

所述所述两时间延时模块由延时光纤和延时电机构成，改变延时光纤的长度或调节延时电机的距离，使斯托克斯光和泵光在时间上同步、空间上重合，通过光耦合器反馈到参量转换模块实现斯托克斯光功率的放大和其谱宽的压缩。

本发明的有益效果在于：本发明多功能相干拉曼散射生物成像光源，采用双腔谐振结构，相较传统方法，其通过波长分束器将反馈中原本浪费的泵光分离出来，输出到独立的谐振腔中，使泵光也参与参量振荡，提高了泵光的利用率，经过参量转换模块大大提高了参量转换效率；双谐振腔中采用声光调制器或电光调制器，可以独立的改变参与参量振荡的斯托克斯光和泵光的重复频率，当两重频相同时，满足相干反斯托克斯拉曼散射成像光源的需求，当两重频不同时，满足受激拉曼散射成像光源的需求，即实现了一套多功能装置，既可作相干反斯托克斯拉曼散射光源又可作受激拉曼散射光源，相较传统的单光源装置，降低了成本，也提供了便利；双腔参量振荡器起到色散滤波的作用，使滤波后的斯托克斯光和泵光进入参量转换模块实现功率放大和谱宽压缩，输出窄谱带高功率的双脉冲光，提高了该成像光源的分辨率；独立的两时间延时模块使延时调谐范围更大，从而使色散匹配的范围更大，输出光源的谱宽调谐范围更大，可被应用于更多种类细胞或者化学键的成像；光纤结构的应用相对于固体激光器具有体积更小、易集成、好维护、性价比高的优点。

附图说明

图1为本发明多功能相干拉曼散射生物成像光源构造框架图；

图2为本发明多功能相干拉曼散射生物成像光源结构实施例一图；

图3为本发明多功能相干拉曼散射生物成像光源结构实施例二图；

图4为本发明多功能相干拉曼散射生物成像光源结构实施例三图。

具体实施方式

如图1所示多功能相干拉曼散射生物成像光源构造框架图，激光振荡器通过主动或者被动锁模方式实现脉冲种子光的输出，输出的种子光先经过一级放大模块，平均功率得到提高；一级放大模块输出光再进入二级放大模块，使种子光的平均功率得到再次放大，以满足参量转换的需求；二级放大输出泵光经光耦合器进入由光子晶体光纤（PCF）构成的参量转换模块，发生四波混频，产生斯托克斯光；参量转换模块末端放置功率分束器，将一部分功率的光束输出作成像光源，剩余部分功率光进入波长分束器，实现斯托克斯光和泵光的分离，之后斯托克斯光和泵光分别进入重频调谐模块1和重频调谐模块2，两个重频调谐模块均由声光调制器（AOM）或电光调制器（EOM）构成，可相互独立的控制斯托克斯光和泵光的重复频率(当两重频相同时，满足相干反斯托克斯拉曼散射成像光源的需求，当两重频不同时，满足受激拉曼散射成像光源的需求)；重频调谐模块1和重频调谐模块2的输出分别连接时间延时模块1和时间延时模块2，调节色散匹配，使这部分光再经过光耦合器耦合到PCF，实现泵光和斯托克斯光在时间上同步、空间上重合；两时间延时模块输出光反馈回光耦合器，与二级放大输出光耦合到参量转换模块中完成反馈。最终实现双腔结构的窄带CRS生物成像光源。

实施例一，图2为本实施例一结构图，其具体实施过程如下：

该发明生物成像光源的振荡器采用半导体可饱和吸收镜SESAM被动锁模方式，腔元件包含依次连接的SESAM、波分复用器WDM 1、掺镱Yb-doped增益光纤、光纤布拉格光栅FBG。振荡器输出脉冲种子光经波分复用器WDM 2耦合到Yb-doped增益光纤中，对种子光的平均功率进行放大，采用隔离器ISO将两级放大模块隔开以防回返光打坏腔元件；之后种子光经波分复用器WDM3耦合到由非保偏Non-PM增益光纤构成的二级放大模块，实现种子光平均功率的再次放大，以满足参量转换的阈值条件；两次放大后输出的种子光通过光纤波分复用器WDM 4，用于耦合泵光和斯托克斯光进入光子晶体光纤PCF中发生四波混频；由于二级放大模块和WDM4均为非保偏光纤，所以在WDM 4末端加入偏振控制器（PC），实现某一偏振态泵光进入PCF；PCF输出端放置二分一波片和偏振分束器PBS，将光束分成两部分，一部分作成像光源输出，另一部分经过隔离器ISO，以防回返光打坏前面光路，ISO连接WDM 5，将斯托克斯光和泵光分开，分别进入两个谐振腔的声光调制器AOM1、2中，实现独立控制参与反馈的斯托克斯光和泵光的重复频率，AOM输出某一重频的斯托克斯光或泵光依次通过延时光纤Delay Fiber和延时电机Delay Stage，改变延时光纤的长度或调节电机的距离，实现泵光和斯托克斯光在时间上同步、空间上重合，延时电机输出的泵光和斯托克斯光反馈到WDM4，与二级放大输出的泵光耦合到PCF中，完成双参量振荡反馈。该实施例采用光纤双腔谐振结构的参量振荡系统，实现了高效率的多功能CRS成像光源。

实施例二，图3为本实施例二结构图，其具体实施过程如下：

该发明生物成像光源的振荡器采用非线性偏振旋转（NPR）被动锁模方式,腔元件包含依次闭合连接的波分复用器WDM 1、增益Gain光纤、偏振控制器PC、隔离器ISO、输出耦合器OC。振荡器从输出耦合器OC输出脉冲种子光经一级放大模块平均功率得到提高，由ISO将两级放大模块隔开以防回返光打坏腔元件；一级大模块输出光进入由保偏PM增益光纤构成的二级放大模块，实现种子光功率的再次放大，以满足参量转换的阈值条件；之后通过WDM 4，耦合泵光和斯托克斯光进入光子晶体光纤PCF中发生四波混频；PCF输出端放置二分一波片和偏振分束器PBS，将光束分成两部分，一部分作成像光源输出，另一部分连接WDM 5，将斯托克斯光和泵光分开，分别进入两个谐振腔的电光调制器（EOM）中，实现独立控制参与反馈的斯托克斯光和泵光的重复频率，EOM输出端依次连接延时光纤和延时电机，改变延时光纤的长度或调节电机的距离，实现泵光和斯托克斯光在时间上同步、空间上重合，延时电机输出的泵光和斯托克斯光反馈到WDM 4，与二级放大输出的泵光耦合到PCF中，完成参量反馈。该实施例采用光纤双腔谐振结构的参量振荡系统，实现了高效率的多功能CRS成像光源。

实施例三，图4为本实施例三结构图，其具体实施过程如下：

该发明非线性生物成像光源振荡器采用非线性放大环形镜（NALM）被动锁模方式，腔元件包含：WDM、带通滤波器BP、输出耦合器OC、隔离器ISO、Gain、色散补偿光纤（DCF）。振荡器输出脉冲种子光进入一级放大模块，种子光的平均功率得到提高，之后种子光通过聚焦透镜进入由双包层保偏增益光纤（20/130）构成的二级放大模块，增益光纤后放置一个高透980 nm高反泵光的二向色镜DM1，980 nm的连续光从反向输入，实现种子光功率的再次放大，满足了参量转换和参量振荡的需求，其中一级和二级放大模块间放入一个空间隔离器，以防回返光打坏一级放大和振荡器；之后通过反射镜和聚焦透镜将泵光耦合进PCF中，发生四波混频，产生斯托克斯光；所述反射镜和聚焦透镜之间放置一个高透泵光高反斯托克斯光的DM2，用于耦合二级放大输出的泵光、反馈的泵光和反馈的斯托克斯光，PCF输出光通过由二分一拨片和偏振分束器（PBS）构成的功率分束器模块，PBS将光束分成两部分，一部分作为光源的输出端，另一部分连接到波长分束器，实现泵光和斯托克斯光的分离，分别传输到两个不同的谐振腔中，提高了泵光的利用率；因此斯托克斯光进入空间电光调制器EOM1，分离出的泵光进入空间电光调制器EOM 2，实现独立控制斯托克斯光的重频和泵光的重频；EOM输出光通过聚焦透镜耦合到延时光纤，再进入延时电机，延时光纤和延时电机共同构成时间延时模块，两时间延时模块输出光经反射光路到DM2，通过DM2耦合到PCF中，完成参量反馈。该实施例采用空间双腔谐振结构的参量振荡系统，实现了高效率的多功能窄带CRS成像光源。

Claims (9)

1.一种多功能相干拉曼散射生物成像光源，其特征在于，包括振荡器、一级放大模块、二级放大模块、光耦合器、参量转换模块、功率分束器、波长分束器、第一重频调谐模块、第一时间延时模块、第二重频调谐模块和第二时间延时模块；

激光振荡器输出的种子光先经过一级放大模块提高平均功率；一级放大模块输出光再进入二级放大模块，实现种子光功率的再次放大，以满足参量转换的阈值条件；二级放大输出泵光经光耦合器进入由光子晶体光纤构成的参量转换模块，发生四波混频，产生斯托克斯光；参量转换模块末端放置功率分束器，将一部分功率的光束作成像光源输出，剩余部分功率光进入波长分束器，实现斯托克斯光和泵光的分离，之后斯托克斯光和泵光分别进入第一重频调谐模块和第二重频调谐模块，两重频调谐模块可相互独立的控制斯托克斯光和泵光的重复频率；第一重频调谐模块和第二重频调谐模块分别连接第一时间延时模块和第二时间延时模块，调节色散匹配，使第一时间延时模块和第二时间延时模块输出的反馈光经过光耦合器耦合到参量转换模块，反馈回光耦合器的泵光和斯托克斯光在时间上同步、空间上重合，实现双参量振荡反馈。

2.根据权利要求1所述多功能相干拉曼散射生物成像光源，其特征在于，所述激光振荡器采用主动或者被动锁模方式实现脉冲种子光的输出。

3.根据权利要求1所述多功能相干拉曼散射生物成像光源，其特征在于，所述一级放大模块和二级放大模块，采用掺稀土离子增益光纤对种子光的平均功率进行放大。

4.根据权利要求1所述多功能相干拉曼散射生物成像光源，其特征在于，所述所述光耦合器，采用波分复用器或二向色镜，将斯托克斯光和泵光耦合到参量转换模块，完成双参量反馈。

5.根据权利要求1所述多功能相干拉曼散射生物成像光源，其特征在于，所述所述参量转换模块由光子晶体光纤构成，泵光进入光子晶体光纤中发生非线性效应，产生斯托克斯光；光子晶体光纤也为参量振荡提供增益介质，提高斯托克斯光的功率，同时压缩了斯托克斯光的谱宽。

6.根据权利要求1所述多功能相干拉曼散射生物成像光源，其特征在于，所述所述功率分束器采用波分复用器或偏振分束器。

7.根据权利要求1所述多功能相干拉曼散射生物成像光源，其特征在于，所述所述波长分束器采用光纤波分复用器或滤波片，将反馈光中的斯托克斯光和泵光分开，分别输出到第一重频调谐模块和第二重频调谐模块。

8.根据权利要求1所述多功能相干拉曼散射生物成像光源，其特征在于，所述所述两重频调谐模块采用声光调制器或电光调制器，实现参与参量振荡的斯托克斯光重频和泵光重频的独立调谐，使光源输出同重频或不同重频的斯托克斯光和泵光。

9.根据权利要求1所述多功能相干拉曼散射生物成像光源，其特征在于，所述所述两时间延时模块由延时光纤和延时电机构成，改变延时光纤的长度或调节延时电机的距离，使斯托克斯光和泵光在时间上同步、空间上重合，通过光耦合器反馈到参量转换模块实现斯托克斯光功率的放大和其谱宽的压缩。